Semicondutores: E-MOSFETs

4.835 visualizações

Publicada em

Quase tudo sobre MOSFETs de enriquecimento.

Publicada em: Tecnologia
4 comentários
9 gostaram
Estatísticas
Notas
Sem downloads
Visualizações
Visualizações totais
4.835
No SlideShare
0
A partir de incorporações
0
Número de incorporações
3
Ações
Compartilhamentos
0
Downloads
594
Comentários
4
Gostaram
9
Incorporações 0
Nenhuma incorporação

Nenhuma nota no slide

Semicondutores: E-MOSFETs

  1. 1. Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs 14-05-2014 Por : Luís Timóteo 1 Não concordo com o acordo ortográfico
  2. 2. Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs 14-05-2014 Por : Luís Timóteo 2 BJT: Transistores bipolares de junção (Bipolar Junction Transistor) FET: Transistores de efeito de campo (Field Effect Transistor). JFET: Transistores de efeito de campo de junção (Junction Field Effect Transistor). MESFET: Transistores de efeito de campo de metal semiconductor. (MEtal Semiconductor Field Effect Transistor). MOSFET: Transistores de efeito de campo de metal-óxido-semiconductor. Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor. BJTs PNP NPN FETs JFET MESFET MOSFET Canal P Canal NEnriquecimento Deplexão Canal P Canal N Canal P Canal N Tipos de Transistores Transistores MOSFETs
  3. 3. Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs 14-05-2014 Por : Luís Timóteo 3 Símbolos de Transistores Transistores MOSFETs Transistor, bipolar, NPN Transistor, bipolar, PNP Transistor, JFET, Canal-N Transistor, JFET, Canal-P Transistor, MOSFET, Canal-N, Modo Deplexão Transistor, MOSFET, Canal-N, Modo Enriquecimento Transistor, MOSFET, Canal-P, Modo Deplexão Transistor, MOSFET, Canal-P, Modo Enriquecimento
  4. 4. Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs 14-05-2014 Por : Luís Timóteo 4 Enriquecimento Deplexão Enriquecimento Deplexão MOSFETS de Enriquecimento e de Deplexão – Comparação de símbolos e canais Transistores MOSFETs
  5. 5. Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs 14-05-2014 Por : Luís Timóteo 5 Transistores de Efeito de Campo Metal-Óxido-Semicondutor MOSFET Transistores MOSFETs O Transistor MOSFET - É o mais importante componente semicondutor fabricado actualmente. O MOSFET, que em grande parte substituiu o JFET, teve um efeito mais profundo sobre o desenvolvimento da electrónica, foi inventado por Dawon Kahng e Martin Atalla, em 1960. Em 2009 foram fabricados cerca de 8 milhões de transistores MOSFET para cada pessoa no mundo; esse número dobrou em 2012. Possuem elevada capacidade de integração, isto é, é possível fabrica-los nas menores dimensões alcançáveis pela tecnologia empregada. São componentes de simples operação e possuem muitas das características eléctricas desejáveis para um transistor, especialmente para aplicações digitais. MOSFET: Transistor de Efeito de Campo de Metal-Óxido-Semicondutor (do inglês, Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor); São transistores formados pela associação entre um condutor, um isolante óxido e semicondutores tipo p e n (um deles fortemente dopado). Assim como o JFET, o seu princípio de funcionamento baseia-se no controlo do canal pela condução entre os terminais fonte (S) e dreno (D) através da porta de controlo (G).
  6. 6. Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs 14-05-2014 Por : Luís Timóteo 6 – MOSFETs  Canal N  Canal P  Tipo Enriquecimento (E-MOSFET).  Tipo Deplexão (D-MOSFET). De acordo com o tipo de canal, os MOSFETs podem ser classificadas como:  Tipo Enriquecimento (E-MOSFET).  Tipo Deplexão (D-MOSFET). Transistores MOSFETs
  7. 7. Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs 14-05-2014 Por : Luís Timóteo 7 Canal N Canal P MOSFETS de Enriquecimento e de Deplexão – Comparação de símbolos e canais G D S Tipo Enriquecimento G D S Tipo Deplexão D Tipo Enriquecimento G S G D S Tipo Deplexão Transistores MOSFETs
  8. 8. Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs 14-05-2014 Por : Luís Timóteo 8 p n n p n n GS D GS D E-MOSFET Enriquecimento (n) D-MOSFET Deplexão (n) D G substrato p S nMOS-FET de Enriquecimento D G substrato n S pMOS-FET de Enriquecimento Formado por uma placa de metal e um semicondutor, separados por uma zona de óxido de semicondutor - por exemplo SiO2 - de uns 100 nm de espessura. Possui quatro eléctrodos:  Porta, (Gate em inglês), simbolizada com G; que se conecta á placa metálica.  Fonte (Source) e Dreno (Drain), ambos simétricos, que se integram no substrato.  Substrato (Body), geralmente conectado electricamente com a fonte. D G substrato p S nMOS-FET de Deplexão D G substrato n S pMOS-FET de Deplexão Metal Óxido Semiconductor Metal MOSFETS de Enriquecimento e de Deplexão – Comparação de símbolos e canais Transistores MOSFETs
  9. 9. Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs 14-05-2014 Por : Luís Timóteo 9 MOSFET de Enriquecimento  E-MOSFET - Simbologia  A distinção entre os terminais do canal continua a ser feita pela conexão do substrato (SS) a um dos terminais, que passa a ser denominado o terminal fonte (S).  Em dispositivos discretos, a dissipação térmica continua a ser feita através do terminal de Dreno (D). G D S Substrato G D/S S/D SubstratoSS G D S G D S Substrato G D/S S/D SubstratoSS G D S Canal n Canal p Transistores MOSFETs O MOSFET tem 3 ou 4 terminais: G, D, S e B (de 'bulk' ou substrato) mas o B está normalmente ligado à fonte (Source) S. Caso tenha dissipador, é ligado ao Drain (Dreno) Pode ser do tipo NMOS (tipo N) ou PMOS do (tipo P).
  10. 10. Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs 14-05-2014 Por : Luís Timóteo 10 Transistores MOSFETs Encapsulamentos….
  11. 11. Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs 14-05-2014 Por : Luís Timóteo 11 O MOSFET de enriquecimento é fabricado sobre um substrato tipo p, onde são criadas duas regiões fortemente dopadas tipo n (Fonte – S e Dreno – D). Uma fina camada de dióxido de silício (isolante) é crescida sobre a superfície do substrato, cobrindo a área entre as regiões da Fonte e Dreno. São feitos contactos de metal para as regiões da Fonte, Dreno, Porta e Corpo. Semiconductor Tipo-p Substrato (corpo) (SS )Corpo(Body) n+ n+ Oxide (SiO2) Source (S) Gate (G) Drain (D) Metal Área do canal MOSFET Enriquecimento – O canal não existe e tem de ser criado -> VT> 0 Transistores MOSFETs MOSFET de enriquecimento-  E- MOSFET (n)  Estrutura
  12. 12. Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs 14-05-2014 Por : Luís Timóteo 12 n+ n+Canal L Metal Gate(G)Source(S) Drain (D) Substrato tipo –P (Corpo) Óxido (SiO2) D G S Óxido (SiO2) Metal Região Drain Canal Região Source  Estrutura física de um transistor MOSFET canal N enriquecimento:  Dimensões típicas L = 0.1 a 3 mm, W = 0.2 a 100 mm, e a espessura do óxido (Tox) é na ordem de 2 a 50nm. L = 0.1 to 3 mm W = 0.2 to 100 mm Tox= 2 to 50 nm Transistores MOSFETs MOSFET de enriquecimento-  E- MOSFET (n)  Estrutura
  13. 13. Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs 14-05-2014 Por : Luís Timóteo 13 GS D P- N+ N+ DS G + P- Substrato N+ N+ SiO2 Contactos metálicos Metal Metal Óxido Semiconductor Símbolo MOSFET de enriquecimento (acumulação) de canal N. G D S Substrato Transistores MOSFETs MOSFET de enriquecimento-  E- MOSFET (n)  Estrutura
  14. 14. Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs 14-05-2014 Por : Luís Timóteo 14 +  Consideremos um MOSFET canal n, tipo Enriquecimento (ou intensificação), com o substrato (SS) conectado á fonte (S), polarizado por uma tensão VDS (entre D e S) e outra VGS (entre G e S). + n+n  Como não existe um canal condutor entre as regiões dos terminais S e D, o que prevalece são duas junções pn inversamente polarizadas.  A resistência entre D e S é da ordem de 1012 Ω.  A corrente no canal é desprezível (da ordem de pA a nA). Transistores MOSFETs Criação do Canal entre Dreno (D) e Fonte (S) + + + + + + + + + + + + + ++ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + Região de deplexão do substrato - - -- - - - -- - - - -- - - - -- - - - -- - - - -- -  Ov MOSFET de enriquecimento-  E- MOSFET (n) - Caracteristicas Análise para VGS = 0V e VDS ≈ 0V
  15. 15. Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs 14-05-2014 Por : Luís Timóteo 15 + Transistores MOSFETs Criação do Canal entre Dreno (D) e Fonte (S) n+ n+  Etapa # 1: A tensão positiva VGS, é aplicada ao terminal de Porta (G), causando um acumular de cargas positivas ao longo do eléctrodo de metal. Etapa # 2: Este “acumular“ de cargas positivas, faz com que as lacunas livres do substrato p, por debaixo do eléctrodo da Porta (G), sejam repelidas da região. VGS +  Ov MOSFET de enriquecimento-  E- MOSFET (n) - Caracteristicas Análise para VGS  0V e VDS ≈ 0V
  16. 16. Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs 14-05-2014 Por : Luís Timóteo 16 +VGS + n+ n+ Transistores MOSFETs Criação do Canal entre Dreno (D) e Fonte (S) Etapa # 3: Como resultado desta "migração“, aparecem cargas negativas, antes neutralizadas pelas lacunas livres. Etapa # 4: A tensão positiva da Porta (G) também atrai electrões das regiões n + do Dreno- Fonte, para o canal.  Ov MOSFET de enriquecimento-  E- MOSFET (n) - Caracteristicas Análise para VGS  0V e VDS ≈ 0V
  17. 17. Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs 14-05-2014 Por : Luís Timóteo 17 +VGS + n+ n+ Transistores MOSFETs Criação do Canal entre Dreno (D) e Fonte (S) Etapa # 5: Logo que atingido um número suficiente “destes” electrões, é criada uma região – n,…. entre o Dreno (D) e a Fonte (S)… Etapa # 6: Este canal recém formado, fornece um caminho para a corrente fluir entre o Drene e a Fonte. Este canal induzido, também é conhecido por camada de inversão  Ov O valor de VGS mínimo para a formação de canal é chamado de tensão de limiar (Threshold) e é representada por VT. Para um MOSFET canal n, VT é positivo e tipicamente está dentro da faixa de 1 a 3 V. MOSFET de enriquecimento-  E- MOSFET (n) - Caracteristicas Análise para VGS  0V e VDS ≈ 0V
  18. 18. Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs 14-05-2014 Por : Luís Timóteo 18  Voltagem limiar (VT) – é o menor valor de vGS necessário para formar um canal condutor entre o Dreno (D) e a Fonte (S).  Tipicamente entre 0.3 e 0.6Vdc.  Efeito de Campo-E – Quando uma tensão positiva vGS é aplicada, desenvolve-se um campo eléctrico entre o eléctrodo da Porta (G) e o canal –n induzido - sendo a condutividade deste canal afectada pela intensidade deste campo.  A camada de óxido SiO2 actua como dieléctrico  Overdrive voltage/Efectiva (VOV) – é a diferença entre a vGS aplicada e Vt.  Capacitância do óxido (Cox) – é a capacitância da placa paralela do condensador por unidade de área da Porta(G) (F/m2). É positiva para MOSFETs Tipo- n, e negativa para os do tipo -p Transistores MOSFETs Criação do Canal entre Dreno (D) e Fonte (S) TGSOV VVV  OX OX OX t C   Em F/m2 ox – é permitividade do SiO2 = 3.45E-11(F/m) tox – é a espessura da camada de SiO2 . MOSFET de enriquecimento-  E- MOSFET (n) - Caracteristicas
  19. 19. Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs 14-05-2014 Por : Luís Timóteo 19 Análise para VGS VT e VDS ≈ 0V  MOSFET com VGS> VT e com uma pequena tensão VDS aplicada. A profundidade do canal é uniforme e o dispositivo actua como uma resistência. IS=ID ID A condutância do canal é proporcional à tensão efectiva, ou tensão da Gate em excesso, (VGS - VT). A corrente de Dreno (D), é proporcional à (VGS - VT) e VDS. Transistores MOSFETs MOSFET de enriquecimento-  E- MOSFET (n) - Caracteristicas ID n+ n+ VDS+ VGS + Canal n induzido
  20. 20. Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs 14-05-2014 Por : Luís Timóteo 20 Análise para VGS VT e VDS ≈ 0V Corrente de Dreno ID, sob pequena tensão VDS  Para VDS pequeno o canal comporta-se como uma resistência variável. ID mA VDS VGS<VT VGS=VT+1V VGS=VT+2V VGS=VT+3V Transistores MOSFETs MOSFET de enriquecimento-  E- MOSFET (n) - Caracteristicas
  21. 21. Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs 14-05-2014 Por : Luís Timóteo 21 n+ n+ S G D iS= iD iG= 0 iD Substrato tipo –P (Corpo) B Mantendo-se VGS constante, com um valor maior que VT e aumentando-se VDS, observa-se que o canal induzido sofre um estreitamento e a sua resistência aumenta correspondentemente.  Uma vez estabelecido o canal de condução (VGS ≥ VT), a elevação da tensão VDS irá provocar o estreitamento do canal na direcção da região do Dreno, (Pinched-off).  O canal induzido adquire uma forma afunilada.  O Canal aumenta a resistência com o aumento de VDS.  A Corrente de Dreno é controlada por ambas as duas tensões (VDS/VGS).  Com tensões VDS pequenas (<<VGS), o canal é uniforme. Transistores MOSFETs Análise para aumento de VDS MOSFET de enriquecimento-  E- MOSFET (n) - Caracteristicas
  22. 22. Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs 14-05-2014 Por : Luís Timóteo 22 G S D  Uma vez que a profundidade do canal induzido depende directamente da quantidade de cargas negativas acumuladas abaixo do dieléctrico, que por sua vez depende da ddp entre a Gate e o canal, deduz-se que: VDS  VGS - VT VDS = 0  ID=0  Quanto maior for VDS, menor será essa ddp e;  Mais estreito o canal se tornará próximo ao dreno.  Quando VGD = VT ou VGS - VDS = VT , o canal fecha-se, “pinched off”. – A camada de inversão desaparece junto ao Dreno (D). – Mas a corrente de Dreno ID, não desaparece, fica constante (similar ao JFET)…! Transistores MOSFETs Análise para aumento de VDS MOSFET de enriquecimento-  E- MOSFET (n) - Caracteristicas
  23. 23. Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs 14-05-2014 Por : Luís Timóteo 23 n+ n+ S G D B Substrato tipo –P (Corpo) Óxido (SiO2) Canal tipo n induzido Zona de Deplexão no Substrato +++++++++++++ VGS ------------------------ + n+ n+ S G D B Substrato tipo –P (Corpo) Óxido (SiO2) L Zona de Deplexão no Substrato VGS VGS < VT VGS > VT VDS  0 Transistores MOSFETs Sintetizando o Funcionamento VDS  0 MOSFET de enriquecimento-  E- MOSFET (n) - Caracteristicas
  24. 24. Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs 14-05-2014 Por : Luís Timóteo 24 n+ n+ iS= iD iG= 0 iD Substrato tipo –P (Corpo) S G D B n+ n+ iS= iD iG= 0 iD Substrato tipo –P (Corpo) S G D B n+ n+ iS= iD iG= 0 iD S G D B Substrato tipo –P (Corpo) Transistores MOSFETs Sintetizando o Funcionamento VDS  V(pequeno) VDS = VGS–VT VDS > VGS–VT MOSFET de enriquecimento-  E- MOSFET (n) - Caracteristicas
  25. 25. Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs 14-05-2014 Por : Luís Timóteo 25 S G D n+ n+ S G D n+ n+ VDS = VGS–VT O canal induzido ou “camada de Inversão” estreita- se no lado do Dreno (D). Análise para VGS  VT e VDS  0V – Saturação (Pinch-off) Transistores MOSFETs VDS > VGS–VT L L VD VDSat À medida que VDS aumenta acima VGS-VT  VDSAT, o comprimento da região estreita (pinch-off), L aumenta:  A Tensão "extra" (VDS - VDsat) é dissipada na distância L.  A queda de tensão na resistência do canal induzido, permanece Vdsat. A corrente de Dreno, ID satura. Nota: Os electrões são arrastados para o Dreno pelo campo-E, quando entram região de pinch-off. MOSFET de enriquecimento-  E- MOSFET (n) - Caracteristicas
  26. 26. Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs 14-05-2014 Por : Luís Timóteo 26 Regiões de operação do MOSFET  A operação de um MOSFET pode assim, ocorrer em três diferentes regiões, dependendo das tensões aplicadas sobre os seus terminais. Para o transistor NMOS os modos são: REGIÃO DE CORTE: quando VGS < VT VGS é a tensão entre a Porta (Gate) e a Fonte (Source) e VT é a tensão de threshold (limiar) de condução do dispositivo. Nesta região o transistor permanece desligado e não há condução entre o Dreno (Drain) e a Fonte (Source). TGS VV  0ID  Transistores MOSFETs n+ n+ VGS=0v VGD - - -- - - - -- - - - -- - - - -- - - - -- - - - -- - + + + + + + + + + + + + + ++ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + Não há Canal. IDS=0.  Com zero volts aplicados á Porta (G), existem dois diodos back-to-back em série entre Dreno (D) e Fonte(S).  "Eles" evitam a condução de corrente do Dreno para a Fonte, quando é aplicada uma voltagem VDS, produzindo resistência muito alta (1012ohms) MOSFET de enriquecimento-  E- MOSFET (n) - Caracteristicas
  27. 27. Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs 14-05-2014 Por : Luís Timóteo 27 REGIÃO DE TRIODO (ou região linear): Quando VGS > VT e VDS < VGS – VT Onde VDS é a tensão entre Dreno (D) e Fonte (S). O transistor é ligado, e o canal que é criado permite o fluxo de corrente entre o Dreno e a Fonte. O MOSFET opera como uma resistência, controlada pela tensão da porta (G). OVnTGSn D DS DS V L W kVV L W kI V r ' 1 )(' 1    A corrente de Dreno é controlada não só por VDS mas também por VGS. A profundidade do canal muda de uniforme a forma afunilada no lado do Dreno. A corrente do dreno para a fonte é:   V 2 DSDSthGS oxn D VVV2 L W 2 C I  m Regiões de operação do MOSFET Transistores MOSFETs MOSFET de enriquecimento-  E- MOSFET (n) - Caracteristicas
  28. 28. Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs 14-05-2014 Por : Luís Timóteo 28 n+ n+ VGS VT VGDVT IS=ID ID VDSVGS-VT REGIÃO DE SATURAÇÃO: Canal estreita-se junto ao Dreno IDS independente de VDS. Dispositivo satura. Similar a uma fonte de corrente. IDS  Se VDS > VGS - VT, então VGD < VT, e o canal fica estrangulado (pinched-off), pois a camada de inversão, não atinge a Drain (D).  Neste caso, a condução é provocada pelo mecanismo de dispersão de electrões sob a influência da tensão positiva da Drain (D).  Como os electrões são negativos deixam o canal, e são acelerados em direção á Drain(D).  A Tensão através do canal estrangulado tende a permanecer fixa em (VGS - VT), e a corrente do canal permanece constante com o aumento da VDS. Regiões de operação do MOSFET Transistores MOSFETs MOSFET de Enriquecimento canal n – Princípios de funcionamento
  29. 29. Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs 14-05-2014 Por : Luís Timóteo 29 REGIÃO DE SATURAÇÃO: quando VGS > VT e VDS > VGS – VT  A corrente de Dreno(D) é agora relativamente independente da tensão de Dreno VDS e é controlada somente pela tensão da porta (VGS) de tal forma que:  2 TGS oxn D VV L W 2 C I  m K I VV D TGS  G S DSaturado +- VDS – VDSsat Canal L-L +- VDSsat =VGS - VT L L  o valor da corrente deixa de aumentar, assumindo um valor constante – Zona de Saturação. O MOSFET tem comportamento de fonte de corrente. Regiões de operação do MOSFET Transistores MOSFETs MOSFET de Enriquecimento canal n – Princípios de funcionamento
  30. 30. Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs 14-05-2014 Por : Luís Timóteo 30 Análise para VGS  VT e VDS  0V – Saturação (Pinch-off) G S D Pinched-off channel L L-L +- VDSsat =VGS - VT L +- VDS – VDSsat  Os electrões passam através da zona limitada (Pinched-off) em alta velocidade, e a fluxo constante, assim como um jacto de água por um orifício apertado… Transistores MOSFETs MOSFET de enriquecimento-  E- MOSFET (n) - Caracteristicas
  31. 31. Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs 14-05-2014 Por : Luís Timóteo 31 Descrição matemática do comportamento de um MOSFET -n Transistores MOSFETs Aprendemos muito sobre MOSFETs de enriquecimento, mas ainda não estabelecemos uma relação matemática entre iD, VGS, ou VDS. Como podemos determinar os valores numéricos correctos para tensões e correntes de um MOSFET num determinado momento? A descrição matemática do comportamento do MOSFET de enriquecimento é relativamente simples! Nós realmente precisamos de nos preocupar com apenas 3 equações. Especificamente, nós expressarmos a corrente de Dreno iD, em função de VGS e VDS, para cada um dos três modos de funcionamento do MOSFET (Corte, Tríodo, e Saturação). Além disso, precisamos definir matematicamente os limites entre cada um destes três modos!
  32. 32. Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs 14-05-2014 Por : Luís Timóteo 32 Mas, primeiro, precisamos examinar alguns parâmetros físicos fundamentais, que definem o dispositivo MOSFET. Estes parâmetros incluem: Descrição matemática do comportamento de um MOSFET Transistores MOSFETs k ′ Parâmetro do processo de Transcondutância [A/V2]. W/L - Relação do Aspecto físico do Canal (comprimento/largura). k′- Parâmetro do processo de Transcondutância, é uma constante que depende da tecnologia de processo usado para fabricar um circuito integrado. Portanto, todos os transistores dum determinado substrato, irão tipicamente ter o mesmo valor deste parâmetro. W/L - é simplesmente a proporção da largura (W) e do comprimento (L) do canal. Este é o parâmetro do dispositivo do MOSFET, que pode ser alterado e modificado pelo designer do circuito, para satisfazer as especificações dum circuito ou de um transistor. Nós também podemos combiná-las para formar um parâmetro único do MOSFET, o Parâmetro K:  2 V A L W k 2 1 K ......'        Agora podemos descrever matematicamente o comportamento de um MOSFET de enriquecimento. Vamos fazer um modo de cada vez.
  33. 33. Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs 14-05-2014 Por : Luís Timóteo 33 Descrição matemática do comportamento de um MOSFET : Modos Transistores MOSFETs Corte (Cutoff) Esta relação é muito simples, se o MOSFET está na corte, a corrente de Dreno iD, é simplesmente de zero! iD=0  (CUTOFF mode) Tríodo (Triode) Quando no modo de tríodo, a corrente de Dreno é dependente tanto VGS como de VDS:              2 DSDSTGSD V 2 1 VVV L W k'i   2 DSDSTGS VVVV2K  (TRIODE mode) Esta equação é válida para ambos os transistores NMOS e PMOS, (se estiverem no modo TRÍODO). Recorde-se que para os dispositivos PMOS, os valores de VGS e VDS são negativos, mas notar que isso dará resultado(correcto) de um valor positivo de iD.
  34. 34. Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs 14-05-2014 Por : Luís Timóteo 34 Descrição matemática do comportamento de um MOSFET : Modos Transistores MOSFETs Saturação (Saturation) Quando estiver no modo de saturação, a corrente de Dreno do MOSFET é (aproximadamente), dependente unicamente de VGS:    2 TGS 2 TGSD VVKVV L W k' 2 1 i        (Saturation mode) Assim, vemos que a corrente de Dreno iD, na saturação ,é proporcional ao excesso de tensão da Gate ao quadrado! Esta equação é igualmente válida para os dois tipos de transistores NMOS e PMOS (se estiverem no modo de saturação). OK, então agora sabemos a expressão para a corrente de Dreno iD, em cada um dos três Modos de funcionamento de um MOSFET, mas como saberemos em que modo está o MOSFET?
  35. 35. Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs 14-05-2014 Por : Luís Timóteo 35 Descrição matemática do comportamento de um MOSFET : Limites dos Modos Transistores MOSFETs Temos que determinar os limites matemáticos de cada modo. Tal como antes, vamos fazer um modo de cada vez! Corte (Cutoff) Um MOSFET está no corte quando nenhum canal foi induzido. Assim, para um dispositivo NMOS de enriquecimento: Se VGS-VT 0, então o NMOS está no CORTE Similarmente, para um dispositivo PMOS de enriquecimento temos: Se VGS-VT 0, então o PMOS está no CORTE Tríodo (Triode) Para o modo tríodo, sabemos que temos um canal induzido (ou seja, uma camada de inversão está presente).
  36. 36. Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs 14-05-2014 Por : Luís Timóteo 36 Descrição matemática do comportamento de um MOSFET : Limites dos Modos Transistores MOSFETs Tríodo (Triode) (Cont) Se VDS  VGS-VT, então o NMOS está "pinched off" Se VDS  VGS-VT, então o PMOS está "pinched off" Além disso, sabemos que quando em modo tríodo, a tensão VDS não é suficientemente grande para NMOS, ou suficientemente pequena (isto é, suficientemente negativa) para o PMOS, para estrangular (pinch off) o canal induzido. Mas quão grande é que VDS precisa de ser, para “estrangular” um canal NMOS? Como podemos determinar se o estrangulamento ocorreu? A resposta a essa pergunta é surpreendentemente simples. O canal induzido de um dispositivo NMOS está “estrangulado” se a tensão VDS é maior do que o excesso de voltagem da Gate! Similarmente, para um dispositivo PMOS de enriquecimento temos:
  37. 37. Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs 14-05-2014 Por : Luís Timóteo 37 Descrição matemática do comportamento de um MOSFET : Limites dos Modos Transistores MOSFETs Tríodo (Triode) (Cont) Estas condições, significam que um canal NMOS não está estrangulado se: VDS  VGS-VT E consequentemente, um canal PMOS não está estrangulado se: VDS VGS-VT Assim, podemos dizer que um dispositivo NMOS está no modo de TRIODO: Se VGS-VT  0 , e VDS <VGS-VT , então o NMOS está no modo TRIODO Similarmente para um dispositivo PMOS: Se VGS-VT  0 , e VDS VGS-VT , então o PMOS está no modo TRIODO Saturação (Saturation) Lembremo-nos de que no de modo de Saturação, um canal está induzido, e que esse canal está “estrangulado” ( pinched off). Assim, podemos afirmar que para um NMOS: Se VGS-VT  0 , e VDS VGS-VT , então o NMOS está no modo SATURAÇÂO
  38. 38. Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs 14-05-2014 Por : Luís Timóteo 38 Descrição matemática do comportamento de um MOSFET : Limites dos Modos Transistores MOSFETs Saturação (Saturation) (Cont) E para um dispositivo PMOS: Se VGS-VT  0 , e VDS  VGS-VT , então o PMOS está no modo SATURAÇÂO Podemos agora construir uma expressão completa (contínua) relativas á corrente de Dreno iD, para tensões VDS e VGS. Se Se Se e e Para um dispositivo NMOS:
  39. 39. Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs 14-05-2014 Por : Luís Timóteo 39 Descrição matemática do comportamento de um MOSFET : Limites dos Modos Podemos agora construir uma expressão completa (contínua) relativas á corrente de Dreno iD, para tensões VDS e VGS. Transistores MOSFETs Para um dispositivo PMOS: Se Se Se e e
  40. 40. Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs 14-05-2014 Por : Luís Timóteo 40 Descrição matemática do comportamento de um MOSFET : Limites dos Modos Transistores MOSFETs Vamos agora ver como estas expressões aparecem quando as representamos graficamente. Especificamente, para o um dispositivo NMOS, vamos representar a corrente iD em função de diferentes valores de VDS e VGS: VDS  VGS-VT Região Tríodo VDS  VGS-VT Região Saturação VDS = VGS - VT VGS  VT Região Corte
  41. 41. Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs 14-05-2014 Por : Luís Timóteo 41 Análise da corrente ID  corrente Dreno ID, saturada e apenas controlada pelos VGS VDSsat=VGS-VT VDS VGS-VT Triodo VDS  VGS-VT Saturação VGSVT  A corrente satura, porque o canal estreita muito (pinch-off), junto ao Dreno, e VDS deixa de afectar o canal .  Quase um linha a direito, com a inclinação proporcional a (VGS- VT).  A linha dobra-se porque a resistência do canal aumenta com VDS. Na região subliminar, a corrente de Dreno tem uma relação exponencial com VGS. VGS cria o canal. Aumentando VGS irá aumentar a condutância do canal. Na região de saturação apenas VGS controla a corrente de Dreno. Quando VDS aumenta a tensão VGD diminui até se tornar inferior a VT. O canal fecha-se do lado do Dreno (pinch- off), e o valor da corrente deixa de aumentar, assumindo um valor constante – Zona de Saturação. Transistores MOSFETs MOSFET de enriquecimento-  E- MOSFET (n) - Caracteristicas
  42. 42. Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs 14-05-2014 Por : Luís Timóteo 42 Curva Característica Um MOSFET de enriquecimento de canal n com VGS e VDS aplicada e com as indicações normais de fluxo de corrente indicada. As características ID-VDS de um dispositivo com K‘n (W / L) = 1,0 mA/V2.. ID IS=ID IG=0 DSTGSn 2 DSDSTGSnD VVV L W kV 2 1 VVV L W kI )(')('      Transistores MOSFETs MOSFET de enriquecimento-  E- MOSFET (n) - Caracteristicas
  43. 43. Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs 14-05-2014 Por : Luís Timóteo 43 VGS= 4 V VGS= 6 V VGS= 5 V VGS=2V= VTP Na ausência de canal para VGS = 0 não há corrente ID. É necessário um valor mínimo de voltagem limiar VTP positiva de VGS para que se forme o canal. Aumentando VGS aumenta o valor da corrente de saturação. VGS= 7 V 2 )( TGSSatD VVKI  Curva de transferência e curvas características de Dreno típicas de um nMOS. Curvas Característica Transistores MOSFETs MOSFET de enriquecimento-  E- MOSFET (n) - Caracteristicas 53 7 ID (mA) VGS (V) 1 2 4 6 80 5 3 7 1 2 4 6 8 10 9 10 VDS ID (mA) 0 5 3 7 1 2 4 6 8 9 VT
  44. 44. Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs 14-05-2014 Por : Luís Timóteo 44 Curvas Características : O valor de K Transistores MOSFETs MOSFET de enriquecimento-  E- MOSFET  Se os valores VGS(on) e ID(on) tiverem sido fornecidos, eles podem ser utilizados como o segundo ponto conhecido da curva, restando apenas determinar outros dois.  Sugestão:  3° ponto: arbitrar VGS entre VT e VGS(on).  4° ponto: arbitrar VGS > VGS(on).  Caso se conheça os parâmetros construtivos do MOS ao invés de um ponto específico da curva, sugere-se arbitrar os pontos para VGS=2VT, VGS=3VT, e VGS=4VT. ID (mA) VGS (V) ID=0 mA) VT ID(on) VGS(on) ID1 VGS1 VGS2 ID2 2 TGSD VVkI )(   Curva de transferência de um nMOS tipo enriquecimento esboçada a partir de um ponto conhecido da curva.        L W k' 2 1 K oxnCk' m
  45. 45. Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs 14-05-2014 Por : Luís Timóteo 45 Polarização : Transistores MOSFETs MOSFET de enriquecimento-  E- MOSFET  As curvas de transferência de um MOSFET tipo Deplexão e tipo Enriquecimento são bastante distintas entre si. VGS(Th) 53 7 ID (mA) VGS (V)1 2 4 6 80 5 3 7 1 2 4 6 8 10 9 9 ID(on) VGS(on)  A polarização fixa continua existindo, sendo seu método de resolução idêntico ao do tipo Deplexão. Enriquecimento
  46. 46. Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs 14-05-2014 Por : Luís Timóteo 46 53 7 ID (mA) VGS (V) 1 2 4 6 8 VT 0 Curvas Características Transistores MOSFETs Curva de transferência e curvas características de Dreno típicas de um nMOS. MOSFET de enriquecimento-  E- MOSFET (n) - Caracteristicas
  47. 47. Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs 14-05-2014 Por : Luís Timóteo 47 Análise da Capacidade  Quaisquer dois condutores separados por um isolante têm capacitância  A capacitância Gate/Canal é muito importante Criam as cargas do canal, necessárias para a sua operação.  Source (S) e Drain (D) têm capacitância para o corpo (SS). Através de diodos (junções) com polarização inversa. A chamada capacitância de difusão porque está associada com a difusão Source/ Drain. Fios de interconexão também têm capacitância distribuída. Transistores MOSFETs MOSFET de enriquecimento-  E- MOSFET (n) - Caracteristicas
  48. 48. Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs 14-05-2014 Por : Luís Timóteo 48 P G S D Análise da Capacidade: Capacitância da Gate Transistores de Efeito de Campo Metal-Óxido-Semicondutor MOSFET MOSFET de Enriquecimento – Características - canal n Transistores n+ n+ W L tox SiO2 óxido da Gate (Bom isolante  ox=3.90) Cpermicron tem valor típico de 2fF/mm Cgs = oxWL/tox = CoxWL = CpermicronW Carga do canal - Q do Canal= CV C = Cg = oxWL/tox = CoxWL (Cox = ox / tox) V = Vgc - VT = (VGS – VDS/2) - VT Gate – óxido – Canal DSDSTGSDS V2VVV L W Cox t Qcanal I )/(  m DSDSTGS V2VVV )/(   L W Coxm  Cox= ox / tox ox-Permissividade do Óxido 
  49. 49. Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs 14-05-2014 Por : Luís Timóteo 49 Análise da Capacidade: Resposta Dinâmica Transistores de Efeito de Campo Metal-Óxido-Semicondutor MOSFET MOSFET de Enriquecimento – Características - canal n Transistores  A resposta dinâmica (velocidade de comutação), de um circuito MOS é muito dependente de capacitâncias parasitas associadas ao circuito. Região de Corte (off Region)  VGSVT; Quando um dispositivo MOS está desligado (off), apenas CGB (devido à combinação série do óxido da Gate e a capacitância da camada de deplexão) é diferente de zero.  Usar ferramentas para a extração de valores mais precisos a partir de layouts reais. Considere as capacitâncias vistas durante as diferentes regiões de operação.  Use uma aproximação simples para estimativas rápidas de capacitâncias. CGB = Cox = A/tox, onde A é a área da Gate, e  =0SiO2 0 é a permissividade do espaço vazio (8.854x104 F/m), e  =0SiO2 é a constante dieléctrica do dióxido de Silício SiO2 (3.9)
  50. 50. Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs 14-05-2014 Por : Luís Timóteo 50 Análise da Capacidade: Resposta Dinâmica Transistores de Efeito de Campo Metal-Óxido-Semicondutor MOSFET MOSFET de Enriquecimento – Características - canal n Região Linear (Linear Region) Transistores  A região de Deplexão existe, formando dieléctrico da capacitância de Deplexão, Cdep, em série com Cox. Assim que o dipositivo entra em condução, CGB é reduzida a 0. A capacitância da Gate, é agora uma função da respectiva tensão . Região de Saturação (Saturated Region) Região sob a Gate está fortemente invertida, e a região do canal junto á Drain, estrangulada, reduzindo CGD a zero.
  51. 51. Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs 14-05-2014 Por : Luís Timóteo 51 Source: Mlynik and Leblebici EPFL web-based course Análise da Capacidade: Resposta Dinâmica Transistores de Efeito de Campo Metal-Óxido-Semicondutor MOSFET MOSFET de Enriquecimento – Características - canal n Região Linear (Linear Region) Transistores Cut-off Saturated Linear CGB CGS CGD VT VT+VDS
  52. 52. Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs 14-05-2014 Por : Luís Timóteo 52 Transistores Análise da capacidade Transistores de Efeito de Campo Metal-Óxido-Semicondutor MOSFET MOSFET de Enriquecimento – Características - canal n S G D L Comprimento do canal
  53. 53. Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs 14-05-2014 Por : Luís Timóteo 53 Transistores Análise da capacidade Transistores de Efeito de Campo Metal-Óxido-Semicondutor MOSFET MOSFET de Enriquecimento – Características - canal n S G D L Comprimento do canalComprimento do canal O Aumento de VDS afecta a região Dreno/Canal: Aumenta a barreira e a Deplexão.
  54. 54. Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs 14-05-2014 Por : Luís Timóteo 54  Para determinar a corrente que fluirá no canal sob estas condições considere um elemento diferencial do canal, de área W.y(x) e espessura dx. y(x) dx tox L x 0  Na análise do MOSFET tipo Enriquecimento, podemos deduzir a corrente no canal através do fluxo de cargas que, conforme a é dada por: dx dQ EI nm dx xdV E )(  Onde Q é a carga negativa (electrões livres) induzida no substrato pelo potencial positivo da Gate(G).  Matematicamente, o campo eléctrico é dado por: Transistores MOSFETs Análise da capacidade e o fluxo de corrente MOSFET de enriquecimento-  E- MOSFET (n) - Caracteristicas Análise para VGS  VT e VDS  0V – Saturação (Pinch-off)
  55. 55. Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs 14-05-2014 Por : Luís Timóteo 55 Transistores MOSFETs Análise da capacidade e o fluxo de corrente MOSFET de enriquecimento-  E- MOSFET (n) - Caracteristicas Análise para VGS  VT e VDS  0V – Saturação (Pinch-off)  Aplicando, a Equação da corrente assume a forma: dx xdV dx dQ I n )(        m  A partir do momento em que VGS atinge o valor limiar (VT), a carga negativa induzida no substrato torna-se proporcional à diferença entre essa tensão e a do canal, logo:  )()( xVVV t dxW CdVxdQ TGS ox oxc      Sendo ox a constante dieléctrica do óxido da Gate(G) e V(x) a tensão na posição x do canal, cujo valor varia entre 0 (em x=0) e VDS (em x=L). 0 V x L VDS Potencial da placa inferior (canal n) Potencial da placa superior (Gate) ddp
  56. 56. Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs 14-05-2014 Por : Luís Timóteo 56 ID VDS ID VDS Dependência de L e tox  Comprimento pequeno da Gate e espessura do óxido, baixam a resistência do canal, o que irá aumentar a corrente de Drain ID. ID VGSVT Curto Comprido ID VGSVT Fina Grossa tox Transistores MOSFETs Análise da capacidade e o fluxo de corrente MOSFET de enriquecimento-  E- MOSFET (n) - Caracteristicas Análise para VGS  VT e VDS  0V – Saturação (Pinch-off)
  57. 57. Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs 14-05-2014 Por : Luís Timóteo 57 ID VDS Efeito de W W Transistores  Quando a largura da Gate aumenta, a corrente aumenta devido a uma diminuição na resistência. No entanto, a capacitância da Gate também aumenta, assim, limitando a velocidade do circuito. Um aumento na W pode ser visto como dois dispositivos em paralelo. ID VGSVTh W W Transistores MOSFETs Análise da capacidade e o fluxo de corrente MOSFET de enriquecimento-  E- MOSFET (n) - Caracteristicas Análise para VGS  VT e VDS  0V – Saturação (Pinch-off)
  58. 58. Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs 14-05-2014 Por : Luís Timóteo 58 Transistores MOSFETs Análise da capacidade e o fluxo de corrente MOSFET de enriquecimento-  E- MOSFET (n) - Caracteristicas Análise para VGS  VT e VDS  0V – Saturação (Pinch-off)  Aplicando, temos ID:   dx dV xVVVWCI TGSoxnD )( m Onde Cox é a capacitância por unidade de área, dada por: ox ox ox t C    Passando dx para o outro lado da equação, podemos integrar ambos os lados como:   )()( 00 xdVxVVVWCIdx VDS TGSoxn L   m  Aplicando as integrações obtemos:        2 V VVV L W CI 2 DS DSTGSoxnD )(m
  59. 59. Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs 14-05-2014 Por : Luís Timóteo 59 Transistores MOSFETs Análise da capacidade e o fluxo de corrente MOSFET de enriquecimento-  E- MOSFET (n) - Caracteristicas Análise para VGS  VT e VDS  0V – Saturação (Pinch-off)  Se a tensão no canal for elevada até que VDS = VGS - VT, a ddp na extremidade do canal cairá ao valor mínimo necessário (VT), para manter a existência do canal, e a corrente ID não crescerá mais, mesmo que se aumente VDS.  O valor de VDS para o qual a corrente através do canal satura é identificado como VDSsat, onde: TGSDSsat VVV   Na saturação (VDS = VDSsat), a corrente ID torna-se: 2 TGSoxnD VV L W C 2 1 I )(  m
  60. 60. Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs 14-05-2014 Por : Luís Timóteo 60  Resistência controlada por voltagem G S D  O canal de inversão de um MOSFET pode ser visto como uma resistência. Uma vez que a densidade de cargas no interior do canal depende da tensão da Gate, esta resistência é também dependente da voltagem. G  Como a tensão da Gate a decrescer, a saída cai porque a resistência de canal aumenta. REGIÃO DE TRIODO (ou região linear): Quando VGS > VT e VDS < VGS – VT Transistores MOSFETs MOSFET de enriquecimento-  E- MOSFET (n) - Caracteristicas Variação do potencial do Canal
  61. 61. Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs 14-05-2014 Por : Luís Timóteo 61 D G S x dpp: =VG  VG =VG - VD ID  Uma vez que há uma resistência de canal entre o Dreno(D) e a Fonte(S), e o Dreno está mais polarizado do que a Fonte, o potencial do canal aumenta da Fonte para o Dreno, e o potencial entre a Porta (G) e o canal, diminuirá da Fonte para o Dreno. V(x) x L VG x L VD - VG  Resistência controlada por voltagem REGIÃO DE TRIODO (ou região linear): Quando VGS > VT e VDS < VGS – VT Transistores MOSFETs MOSFET de enriquecimento-  E- MOSFET (n) - Caracteristicas Variação do potencial do Canal
  62. 62. Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs 14-05-2014 Por : Luís Timóteo 62  Embora a Equação de ID na saturação descreva a corrente ID como um valor independente do aumento de VDS, em dispositivos reais, observa-se um ligeiro aumento dessa corrente em função de VDS.  Para refletir esse aumento da corrente a equação pode ser adequada incluindo-se o fator (1+VDSe):    DSe 2 TGSoxnD V1VV L W C 2 1 I m   Onde VDSe é a tensão que excede à tensão de saturação do canal para o VGS adoptado, isto é: DSsatDSDSe VVV  Modulação de Canal ()  O aumento de VDS faz diminuir a largura efectiva do canal (L), resultando num aumento da corrente no Dreno. N N P G S D L Transistores MOSFETs MOSFET de Enriquecimento canal n – Princípios de funcionamento
  63. 63. Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs 14-05-2014 Por : Luís Timóteo 63  Tipicamente,  varia entre 5x10-3 e 3x10-2 V-1. ID VDS ID  O parâmetro de modulação do comprimento do canal () é definido como o inverso da Tensão Early (VA). AV 1  Modulação de Canal () MOSFET de Enriquecimento canal n – Princípios de funcionamento Transistores MOSFETs
  64. 64. Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs 14-05-2014 Por : Luís Timóteo 64 Tensão de Early VA.  Fisicamente, a Tensão Early (VA) é directamente proporcional ao comprimento do canal (L).  Graficamente, corresponde ao ponto de intersecção com o eixo VDS das projecções das curvas das correntes de Dreno na região de saturação. /1AV )(mAID DSV0 2.0VVV TGS  1.5VVV TGS  0r 1 Inclinação  1.0VVV TGS  0.5VVV TGS  Triodo Saturação Modulação de Canal () MOSFET de Enriquecimento canal n – Princípios de funcionamento Transistores MOSFETs
  65. 65. Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs 14-05-2014 Por : Luís Timóteo 65 )(mAID DSV0 Ruptura Corte/1AV 2.0VVV TGS  1.5VVV TGS  0r 1 Inclinação  1.0VVV TGS  0.5VVV TGS  0VVV TGS  Triodo Saturação Corrente de Dreno ID, é modificada pela modulação do comprimento do canal. )+()(' DS 2 TGSn2 1 D V1VV L W kI  300Va200VA  D O I 1 r    Os transistores MOS não se comportam como uma fonte de corrente ideal, devido à modulação de comprimento de canal.  A resistência de saída é finita: D A D constV DS D o I V λI 1 ΔV Δi r GS          . 1 Tensão de Early VA. Modulação de Canal () Transistores MOSFETs MOSFET de Enriquecimento canal n – Princípios de funcionamento
  66. 66. Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs 14-05-2014 Por : Luís Timóteo 66 Resistência de saída de Drain ro. Transistores MOSFETs MOSFET de Enriquecimento canal n – Princípios de funcionamento  Muitas vezes, o parâmetro de modulação do comprimento do canal λ, é expressa como a Tensão de Early, VA , que é simplesmente o inverso do valor de λ:  1 VA   Assim, a corrente de Dreno iD, para um MOSFET na saturação, pode igualmente ser expressa como:          A DS2 TGSD V V 1VVKi  Agora, vamos definir um valor ID, que é simplesmente a corrente de Dreno, na saturação, como se não houvesse nenhuma modulação do comprimento canal, por outras palavras, o valor ideal da corrente de Dreno na saturação:  2 TGSD VVKI   Assim, podemos alternativamente escrever a corrente de Dreno na saturação como:        A DS DD V V 1Ii
  67. 67. Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs 14-05-2014 Por : Luís Timóteo 67 Resistência de saída de Drain ro. Transistores MOSFETs MOSFET de Enriquecimento canal n – Princípios de funcionamento A expressão anterior, explicitamente mostra como a corrente de Dreno funciona em função da voltagem VDS. Por exemplo, considere um caso típico onde VDS = 5.0 V e VA = 50,0 V. Descobrimos que:   DDD A DS DD 1,1I0,11I 50 5 1I V V 1Ii              Por outras palavras, a corrente de Dreno, é 10% maior do que o seu valor de ID "ideal". Podemos, assim, interpretar o valor VDS/VA, como a percentagem de aumento da corrente de Dreno iD, sobre o seu valor ideal (ou seja, sem a modulação do comprimento do canal) na saturação : ID =K (VDS −VT)2. Assim, como um aumento de VDS, a corrente de Dreno iD vai aumentar ligeiramente. Agora, vamos introduzir uma terceira via (ou seja, além de, λ e VA) para descrever o aumento "extra” da corrente, criado pela modulação do comprimento do canal .
  68. 68. Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs 14-05-2014 Por : Luís Timóteo 68 Resistência de saída de Drain ro. Transistores MOSFETs MOSFET de Enriquecimento canal n – Princípios de funcionamento Definindo Resistência de saída de Drain ro: DD A o I 1 I V r   Usando esta definição, podemos escrever a expressão final da corrente na saturação como: Assim, podemos interpretar a corrente de Dreno "extra" (devido à modulação do comprimento de canal) como a corrente que flui através de uma resistência saída de Dreno ro.
  69. 69. Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs 14-05-2014 Por : Luís Timóteo 69 )(mAID DSV0 Transistores MOSFETs Resistência de saída de Drain ro. MOSFET de Enriquecimento canal n – Princípios de funcionamento /1 AV 2.0VVV TGS  1.5VVV TGS  0r 1 Inclinação  1.0VVV TGS  0.5VVV TGS  Triodo Saturação VGS  VT Região Corte  Finalmente, há três coisas importantes para lembrar sobre a “modulação do comprimento do canal:  Os valores de VA e de λ são parâmetros do dispositivo MOSFET, mas a resistência de saída de Dreno ro, não é (ro depende de ID!).  Muitas vezes, nós "negligenciamos “o efeito da modulação do comprimento do canal", o que significa que usamos o caso ideal para a saturação : id=K(VGS-VT)2. Efectivamente, assumimos que λ = 0, o que significa que um VA =  e o ro =  (ou seja, not VA= 0 e ro=0!).  A resistência de saída de ro não é o mesmo que a resistência do canal rDS!
  70. 70. Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs 14-05-2014 Por : Luís Timóteo 70 Para um MODFET na Saturação. Para um MODFET em modo Tríodo com VDS pequeno. Transistores MOSFETs Resistência de saída de Drain ro/rDS. MOSFET de Enriquecimento canal n – Princípios de funcionamento As duas resistências são diferentes em muitas, muitas maneiras:
  71. 71. Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs 14-05-2014 Por : Luís Timóteo 71 Transistores MOSFETs Resistência de Canal rDS MOSFET de Enriquecimento canal n – Princípios de funcionamento Nota: para essa situação, o MOSFET estará na região Tríodo. Lembre que a corrente iD será directamente proporcional à tensão VDS, desde que: 1. Um canal condutor tenha sido induzido. 2. Que o valor de VDS seja pequeno. Lembre também que à medida que aumentar o valor da VDS, o canal condutor vai começar a “estrangular” e a corrente iD, deixa de ser directamente proporcional à VDS. Especificamente, existem dois fenómenos, à medida que aumentamos VDS, enquanto na região de Tríodo: 1. Aumentando VDS irá aumentar a diferença de potencial através do canal condutor, um efeito que ajuda aumentar proporcionalmente a corrente de dreno iD. 2. Aumentando VDS irá diminuir a condutividade do canal induzido, um efeito que funciona para diminuir a corrente de Dreno iD.
  72. 72. Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs 14-05-2014 Por : Luís Timóteo 72 Isso é muita coincidência! Há dois fenómenos físicos, à medida que aumentamos VDS, e há dois termos na equação da corrente de Dreno em modo Tríodo! Transistores MOSFETs Resistência de Canal rDS MOSFET de Enriquecimento canal n – Princípios de funcionamento Isto não é coincidência! Cada termo da equação da corrente em modo tríodo, descreve efectivamente um desses dois fenómenos físicos . Podemos, assim, separar a equação da corrente de Dreno em modo tríodo, nas duas componentes: iD =iD1+iD2   Vamos analisar cada termo individualmente. Primeiro, devemos notar que este termo é directamente proporcional à VDS. – Se VDS aumenta de 10%, o valor do termo irá aumentar de 10%. Note que isto é verdade, independentemente da magnitude do VDS!
  73. 73. Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs 14-05-2014 Por : Luís Timóteo 73 Transistores MOSFETs Resistência de Canal rDS MOSFET de Enriquecimento canal n – Princípios de funcionamento “Graficando” este termo, temos: )(mAID DSV É evidente que este termo descreve o primeiro dos nossos fenómenos: 1. Aumentando VDS irá aumentar a diferença de potencial através do canal condutor, um efeito que ajuda aumentar proporcionalmente a corrente de dreno iD.  Por outras palavras, este primeiro termo descreve com precisão a relação entre iD e VDS quando o canal induzido no MOSFET, se comporta como uma resistência!  Mas, claro, o canal não se comporta como uma resistência! O segundo termo iD2, descreve o comportamento não resistivo do canal. TDS VV 
  74. 74. Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs 14-05-2014 Por : Luís Timóteo 74 É evidente que iD2 não é directamente proporcional a VDS, mas sim proporcional a VDS ao quadrado! Transistores MOSFETs Resistência de Canal rDS MOSFET de Enriquecimento canal n – Princípios de funcionamento É evidente que este termo descreve o segundo dos nossos fenómenos: 2. Aumentando VDS irá diminuir a condutividade do canal induzido, um efeito que funciona para diminuir a corrente de Dreno iD. 2Di DSV Agora vamos adicionar os dois termos iD1 e iD2 juntos para obter o comportamento total da corrente de Dreno iD, no modo Tríodo: TDS VV  DI DSVÉ evidente que o segundo termo iD2 funciona no sentido de reduzir o comportamento total da corrente de Dreno, do comportamento resistivo de iD1. Isto, naturalmente é fisicamente devido à redução da condutividade do canal, com o aumento de VDS. TDS VV 
  75. 75. Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs 14-05-2014 Por : Luís Timóteo 75 TDS VV  DI DSV Mas repare! para pequenos valores de VDS, o termo iD2 é muito pequeno e, portanto, iD  iD1 (quando VDS é pequeno)! Transistores MOSFETs Resistência de Canal rDS MOSFET de Enriquecimento canal n – Princípios de funcionamento Absolutamente verdade! Lembre-se isto é consistente com a nossa discussão anterior sobre a condutividade do canal induzido, começar a degradar significativamente somente quando VDS se torna suficientemente grande! Assim, podemos concluir: Para pequenos valores de
  76. 76. Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs 14-05-2014 Por : Luís Timóteo 76 Transistores MOSFETs Resistência de Canal rDS MOSFET de Enriquecimento canal n – Princípios de funcionamento Pelo que acabamos de ver, podemos afirmar, que o canal induzido, (para pequenos valores de VDS) se comporta como uma resistência rDS de valor aproximado = VDS/iDS. Para pequenos valores de Mas o que quer dizer "para pequenos valores de VDS“? O quão pequeno, é pequeno? Como podemos saber numericamente quando esta aproximação é válida? Bem, podemos dizer que esta aproximação é válida quando iD2,é muito menor do que iD1 (isto é, iD2 é insignificante). Matematicamente, podemos afirmar isso como:
  77. 77. Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs 14-05-2014 Por : Luís Timóteo 77 Assim, pode-se aproximar dizendo que o canal induzido se comporta como uma resistência rDS, quando VDS é muito menor que o dobro do excesso da tensão da Gate: Transistores MOSFETs Resistência de Canal rDS MOSFET de Enriquecimento canal n – Princípios de funcionamento para e para
  78. 78. Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs 14-05-2014 Por : Luís Timóteo 78 Precisamente quanto muito menor do que duas vezes o excesso de tensão da Gate deve ser o valor de VDS, para que a afirmação seja exacta? Transistores MOSFETs Resistência de Canal rDS MOSFET de Enriquecimento canal n – Princípios de funcionamento Lá vamos nós outra vez! A declaração VDS  2 (VGS-VT), é apenas um pouco mais útil, do que a afirmação "quando o valor de VDS é pequeno". Nós não podemos dizer com precisão quanto menor VDS precisa de ser em relação a 2 (VGS-VT), a menos que indicamos com precisão, quanto precisa exigimos que seja a nossa aproximação! Por exemplo, se queremos que o erro associado com a aproximação iD  iD1= 2 K(VGS- VT)VDS, seja inferior a 10%, descobrimos que precisaremos que a tensão VDS seja inferior a 1/10 do valor 2 (VGS-VT). Por outras palavras, se:   5 VV 10 VV2 V TGSTGS DS     e consequentemente 10 i i D1 D2  Este critério do erro de 10% é uma típica "regra de ouro" para muitas aproximações em electrónica. No entanto, isso não significa que seja o critério "correcto" para determinar a validade desta (ou de outra) aproximação.
  79. 79. Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs 14-05-2014 Por : Luís Timóteo 79 Transistores MOSFETs Resistência de Canal rDS MOSFET de Enriquecimento canal n – Princípios de funcionamento Algumas aplicações, podem exigir uma melhor precisão. Por exemplo, se precisarmos de erro a menos de 5%, veríamos que VDS  (VGS-VT)/10. No entanto, usando os critérios de erro de 10%, chega-se a conclusão de que: e para para Nós achamos que devemos usar estas aproximações quando o podermos fazer, pois tornam a nossa análise de circuitos muito mais fácil!
  80. 80. Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs 14-05-2014 Por : Luís Timóteo 80 Efeito da Temperatura  VT diminui cerca de 2mV por oC.  K diminui com a temperatura (efeito dominante).  A Corrente diminui com a temperatura.  2 TGSnD VV L W 'k 2 1 I  Transistores MOSFETs MOSFET de Enriquecimento canal n – Princípios de funcionamento oxnn Ck m‘
  81. 81. Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs 14-05-2014 Por : Luís Timóteo 81 Velocidade dos transportadores de carga(v) A Carga é transportada por electrões.  A Velocidade dos transportadores de carga (v), é proporcional ao campo eléctrico lateral entre a Source(S) e a Drain (D). Emv Em que m é a Mobilidade. E = VDS/L Tempo para um transportador atravessar o canal: t = L/v  Em modo linear a corrente IDS, pode ser obtida a partir da carga no canal e do tempo t, que cada transportador o leva a atravessar… DSDSTGSDS V2VVV L W Cox t Qcanal I )/(  m DSDSTGS V2VVV )/(   L W Coxm  Transistores MOSFETs MOSFET de Enriquecimento canal n – Princípios de funcionamento
  82. 82. Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs 14-05-2014 Por : Luís Timóteo 82 Efeito da Corpo (body effect)-() Transistores MOSFETs MOSFET de Enriquecimento canal n – Princípios de funcionamento Num circuito integrado usando MOSFETs, pode haver milhares ou milhões de transistores.  Como resultado, existem milhares ou milhões de terminais Fonte(S) de MOSFETs, mas, há apenas um corpo (Body) – (SS) o Substrato de Silício.  Assim, se fôssemos a ligar todos os terminais Fonte dos MOSFETs ao terminal único de corpo, estaríamos ligando todos os terminais de Fonte dos MOSFETs uns aos outros!  O resultado disso, seria certamente um IC inútil!  Por isso, nos circuitos integrados, os terminais da Fonte dos MOSFETs não são ligados ao corpo do substrato.  Verificamos que a tensão VSB (tensão Fonte-corpo), não é necessariamente igual a zero (isto é, VSB ≠ 0V)! …Pelo que existem dispositivos MOSFETs de quatro terminais.  Há muitas ramificações deste efeito de corpo, talvez o mais significativo é o que diz respeito à tensão de limiar VT.
  83. 83. Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs 14-05-2014 Por : Luís Timóteo 83 Efeito da Corpo (body effect)-() Transistores MOSFETs MOSFET de Enriquecimento canal n – Princípios de funcionamento  Nós verificamos que, quando VSB ≠0V, há uma expressão mais precisa da tensão limiar (Threshold voltage) VT, que é a seguinte: Onde  e f são parâmetros do dispositivo MOSFET. Observe-se que o valor VT0 é o valor da tensão limiar(VT), quando VSB = 0, isto é:  fSBfT0T 2V2VV   0.6V2 f  Nível de fermi - (Parâmetro físico) VT=VT0 quando VSB=0.0 ox SA C Nq2    1/2 típico V0.5  É assim evidente que o termo:  fSBf 2V2   simplesmente expressa um valor extra, adicionado ao "ideal“ da tensão de limiar VT0 quando VSB ≠0V.  Para muitos casos, este efeito de corpo é relativamente insignificante, e pode ser ignorado… No entanto, não se deve concluir que o efeito de corpo é sempre insignificante, pode em alguns casos, ter um tremendo impacto sobre o desempenho do circuito MOSFET!
  84. 84. Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs 14-05-2014 Por : Luís Timóteo 84 Amplia a camada de deplexão. Reduz a profundidade do canal. A tensão limiar (VT) é aumentada. A Corrente de Dreno é reduzida.  Nos circuitos integrados (Ics), o substrato dos circuitos NMOS, está ligado ao polo negativo da fonte de alimentação a fim de manter a junção pn inversamente polarizada.  Breakdown/Ruptura: Corrente de avalanche - Pode dar-se a ruptura da junção Drain-Body para valores de VDS elevados. (50 a 100V). Perfuração S/D -Quando a tensão VDS atinge valores tais, (20v) que a região de deplexão da junção Drain-body se estende través do canal até à Source. Disrupção do óxido da Porta (G) – quando VGS atinge valores de cerca de 50V. Destrutiva. Diodos limitador a tensão do corpo pode controlar a iD: Efeito da Corpo (body effect)-() Transistores MOSFETs MOSFET de Enriquecimento canal n – Princípios de funcionamento
  85. 85. Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs 14-05-2014 Por : Luís Timóteo 85 Funcionamento do MOSFETs Transistores MOSFETs
  86. 86. Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs 14-05-2014 Por : Luís Timóteo 86 Ve = 50cos(wt) mV Vs +2V RD + 3,5V 20K 1 2 3 NMOS Regiões de operação do MOSFET Transistores MOSFETs Exercícios  Ex.: No circuito ao lado, o transistor nMOS cujo VT=1V e μnCoxW/L=0,1 mA/V2, opera como resistência variável. Determine: c) O valor AC de VS. a) O valor DC de VDS. b) O valor DC de ID. a) Como o nMOS opera na região de triodo, é possível determinar ID com base na Equação:        2 V VVV L W CI 2 DS DSTGSoxnD )(m  mA0,5V2,5V0,1 2 V 1)V(3,50,1I 2 DSDS 2 DS DSD        Pelo circuito externo, a corrente é dada por: mA 20 V2 I DS D   Igualando as duas equações, temos VDS = 0,354V.
  87. 87. Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs 14-05-2014 Por : Luís Timóteo 87 Ve = 50cos(wt) mV Vs +2V RD + 3,5V 20K 1 2 3 NMOS Regiões de operação do MOSFET Exercícios  Ex.: No circuito ao lado, o transistor nMOS cujo VT=1V e μnCoxW/L=0,1 mA/V2, opera como resistência variável. Determine: c) O valor AC de VS. b) O valor DC de ID. b) ID pode ser determinado a partir da malha de saída: 82mA   mA 20 V2 I DS D    20 0,3542 ID  c) Como RD forma um divisor de tensão com a resistência do canal do nMOS, o valor AC de Vs pode ser calculado determinando-se RDSlin pela equação: 1 TGSoxn D DS DSlin VV L W C I V R          )(m RDSlin = [0,1(3,5-1)]-1 = 4 k logo, Vs é:    t)50cos( 420 4 VS  8,33 cos(t) mV Transistores MOSFETs
  88. 88. Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs 14-05-2014 Por : Luís Timóteo 88 Regiões de operação do MOSFET Transistores MOSFETs Exercícios Ex.: Para um nMOS cujo k'n(W/L)=0,2mA/V2, VT=1,5V e =0,02V-1, operando com VGS=3,5V, determine: b) A resistência de saída RDSsat. a) A corrente ID para VDS=2V e para VDS=10V. a) Como VGS > VT e VDS  VGS - VT, sabemos que o nMOS está operando na saturação. Desta forma, ID pode ser determinado pela Equação: )()( DS 2 TGSoxnD V1VV L W C 2 1 I m  a) Para VDS= 2V: ID=0,5x0,2(3,5-1,5)2(1+0,02x2) = 416 mA Para VDS= 10V: ID=0,5x0,2(3,5-1,5)2(1+0,02x10) = 480 mA b) Na saturação, a resistência de saída é dada pela Equação: 1 2 TGSoxnDSsat VV L W C 2 R         )(m  Logo b)          1 23 DSsat 1,5(3,5100,2 2 0,02 R ) 125K
  89. 89. Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs 14-05-2014 Por : Luís Timóteo 89 Porta/Gate (G) Dreno/Drain (D) Fonte/Source (S) Substrato/Body (SS) Metal Semicondutor Óxido Transistores MOSFETs MOSFET de enriquecimento-  E- MOSFET (p)  Funcionamento  As lacunas são os portadores de carga do canal;  As tensões VGS e VDS são negativas;  A tensão de limiar (VT) é negativa;  A corrente ID atravessa o canal da Fonte(S) para o Dreno(D).  O MOSFET tipo enriquecimento canal p, ou simplesmente pMOS, opera pelos mesmos princípios de um nMOS, entretanto, algumas diferenças devem ser notadas:  Matematicamente, alguns termos das equações devem ser substituídos: μnμp.  k'n k'p. G D S Símbolo
  90. 90. Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs 14-05-2014 Por : Luís Timóteo 90 VDS ID (mA) VGS=-2V= VTN -5 -3-7 ID (mA) VGS (V)-1-2-4-6 VT VGS= -5 V VGS= -4 V VGS= -3 V VGS= -6 V Curva de transferência e curvas características de Dreno típicas de um pMOS. 0 Curvas Características Transistores MOSFETs 5 3 7 1 2 4 6 8 MOSFET de enriquecimento-  E- MOSFET - Caracteristicas
  91. 91. Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs 14-05-2014 Por : Luís Timóteo 91 -5 -3 0 ID (mA) E-MOSFET(p) VGS (V) -1-2-4-6 VTN 53 ID (mA)E-MOSFET(n) VGS (V) 1 2 4 6 VTP Curvas de transferência típicas de um pMOS e um nMOS. Curvas Características Transistores MOSFETs MOSFET de enriquecimento-  E- MOSFET - Caracteristicas ID (mA)D-MOSFET(n) ID (mA)D-MOSFET(p)
  92. 92. Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs 14-05-2014 Por : Luís Timóteo 92 Curvas Características Transistores MOSFETs MOSFET de enriquecimento-  E- MOSFET - Caracteristicas  Uma rápida análise da (ID = k(VGS – VT)2,revela que há apenas um ponto notável, isto é, ID para VGS=VT, que neste caso é igual a zero.  Por essa razão, o esboço da curva de transferência deste dispositivo conta apenas com um ponto conhecido (ID=0, VGS=VT), sendo os demais 3 pontos (no mínimo) determinados directamente através da Equação: 2 TGSD VVkI )(   A inexistência de um valor limite de corrente nesta equação, e a presença do expoente quadrático tornam desvantajosa a elaboração de uma tabela para acelerar o esboço da curva, como foi feito para o JFET.  Desta forma, o primeiro passo para o esboço da curva de transferência é a determinação do valor de k.
  93. 93. Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs 14-05-2014 Por : Luís Timóteo 93 Polarização : Transistores MOSFETs MOSFET de enriquecimento-  E- MOSFET  As curvas de transferência de um MOSFET tipo Deplexão e tipo Enriquecimento são bastante distintas entre si. VGS(Th) 4 I SSD -2-4 0 ID (mA) VGS (V) -6 -5 -3 -1 VP 0,3VP 2 4 1 2 I SSD SSDI 8 Deplexão Enriquecimento ID(on) VGS(on)  A polarização fixa continua existindo, sendo seu método de resolução idêntico ao do tipo Deplexão. Deplexão 953 7 ID (mA) VGS (V)1 2 4 6 80 5 3 7 1 2 4 6 8 10 9 Enriquecimento VP/2 10,9
  94. 94. Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs 14-05-2014 Por : Luís Timóteo 94 Polarização : por Realimentação de Dreno Transistores MOSFETs MOSFET de enriquecimento-  E- MOSFET  Polariza o dispositivo simplesmente através de uma resistência entre os terminais da Porta(G) e do Dreno(D) (RG ou RGD).  Caracteriza-se por “reinjectar” na entrada (Gate) parte do sinal de saída.  O ponto de polarização torna-se dependente da malha de saída (VDD, RD, ID e VDS).  Uma vez que a polarização é definida em regime de corrente contínua (DC), os condensadores devem ser eliminados nessa análise.  Iniciando a análise pela tensão de Gate, temos: VG=V D logo: VGS = VDS Substituindo VDS, temos: VGS=VDD-RD x ID  Esta Equação descreve uma recta com 2 pontos notáveis: VGS=0,  ID=VDD /RD VGS=VDD  ID=0
  95. 95. Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs 14-05-2014 Por : Luís Timóteo 95 Polarização : por Realimentação de Dreno Transistores MOSFETs MOSFET de enriquecimento-  E- MOSFET VGSQ IDQ ID (mA) VGS (V)0 VDD VDD RD Q VT A intersecção da recta descrita pela Equação: VGS=VDD-RD x ID com a curva de transferência do dispositivo, determinam o ponto de funcionamento (Q) definido pelo par IDQ e VGSQ.
  96. 96. Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs 14-05-2014 Por : Luís Timóteo 96 Polarização : por Realimentação de Dreno Transistores MOSFETs MOSFET de enriquecimento-  E- MOSFET  Ex.: Para o nMOS seguinte determine: a) IDQ e VGSQ. b) VDS. a) 1° passo: Determinar o valor de k:        2 3 2 TonGS onD 3)(8 106 VV I k )( )( )( 0,24x10-3 A/V 2 2° passo: Determinar os pontos da curva de transferência: 1° pt: para VGS=VT ID=0  (ID=0, VGS=3V). D G S 2° pt: para VGS=VGS(on)  ID=ID(on)  (ID=6mA, VGS=8V). 3° pt: para VGS=6V  ID=k(6-3)2  (ID=2,16mA, VGS=6V). 4° pt: para VGS=10V  ID=k(10-3)2  (ID=11,76mA, VGS=10V). 3° passo: Determinar a equação da recta de polarização: VGS =VDD-RD x ID = 12-2x103 x I D
  97. 97. Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs 14-05-2014 Por : Luís Timóteo 97 VGS Polarização : por Realimentação de Dreno Transistores MOSFETs MOSFET de enriquecimento-  E- MOSFET (n) 4° passo: Traçar a curva de transferência e... VT ID(on) VGS=10V , ID=11,76mA A recta de polarização: 11 12 VGS=6V , ID=2,16mA,). Q 6,4VGSQ IDQ 2,75mA VDD VDD RD D G S RD 5° passo: Extrair os parâmetros do ponto de operação (Q) a partir da intersecção no gráfico: IDQ 2,75 mA VGSQ  6,4 V VDS = VGS VDSQ=6,4V VGS(on)
  98. 98. Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs 14-05-2014 Por : Luís Timóteo 98 Polarização : por Divisor de Tensão Transistores MOSFETs MOSFET de enriquecimento-  E- MOSFET(n) Polariza o dispositivo estabelecendo a tensão de Gate através de um divisor de tensão (R1 e R2). IG=0A +VGS_ Permite estabelecer o ponto de operação com um grau arbitrário de dependência da saída, através do ajuste de RS. Quanto maior o valor de RS, maior o grau de dependência do ponto de operação com a corrente de saída. Eliminando os condensadores para a análise de polarização e iniciando a análise pela tensão na Gate, temos:         21 2 DDG RR R VV A tensão na Fonte(S) é dada por: VS=RS x ID Logo, VDS será : VGS =VG-VS =VG-RS x ID O que dá uma recta com 2 pontos notáveis: VGS=0, ID=VG / RS VGS=VG , ID=0
  99. 99. Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs 14-05-2014 Por : Luís Timóteo 99 VGSQ IDQ ID (mA) VGS (V)0 VG VG RS Q VT Polarização : por Divisor de Tensão Transistores MOSFETs MOSFET de enriquecimento-  E- MOSFET (n) A interseção da recta descrita pela Equação VGS =VG-VS =VG-RS x ID com a curva de transferência do dispositivo, determinam o ponto de funcionamento (Q) definido pelo par IDQ e VGSQ.
  100. 100. Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs 14-05-2014 Por : Luís Timóteo 100 Polarização : por Divisor de Tensão Transistores MOSFETs MOSFET de enriquecimento-  E- MOSFET (n) Ex.: Para o nMOS seguinte determine: a) IDQ e VGSQ. b) VDS. a) 1° passo: Determinar o valor de k:        2 3 2 TonGS onD 3)(10 103 VV I k )( )( )( 0,12x10-3 A/V2 2° passo: Determinar os pontos da curva de transferência: 1° pt: para VGS=VT  ID=0 (ID=0,  VGS=5V). 2° pt: para VGS=VGS(on)  ID=ID(on)  (ID=3mA, VGS=10V). 3° pt: para VGS=15V  ID=k(15-5)2  (ID=12mA, VGS=15V). 4° pt: para VGS=20V  ID=k(20-5)2  (ID=27mA, VGS=20V). RD RS R1 R2
  101. 101. Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs 14-05-2014 Por : Luís Timóteo 101 Polarização : por Divisor de Tensão Transistores MOSFETs MOSFET de enriquecimento-  E- MOSFET (n)  a) 3° passo: Determinar a equação da recta de polarização: VG=VDDxR2 /(R1+R2)= 40x18/(22+18)= 18V VGS = VG-RSxID = 18-0,82x10-3x I D  4° passo: Traçar a curva de transferência e a recta de Polarização. VGSQ 12,5V IDQ=6,7mA VT ID (mA) VGS (V) 0 5 10 15 20 10 20 30 25 VG RS =21,95mA VG=18V Q RD RS R1 R2
  102. 102. Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs 14-05-2014 Por : Luís Timóteo 102 Polarização : por Divisor de Tensão Transistores MOSFETs MOSFET de enriquecimento-  E- MOSFET (n) a) 5° passo: Extrair os parâmetros do ponto de funcionamento (Q) a partir da intersecção no gráfico: b) Para determinar o valor de VDS basta aplicar a IDQ encontrada na equação da malha de saída: VGSQ 12,5V IDQ=6,7mA Q V GSQ = 12,5 V IDQ = 6,7 mA VT ID (mA) VGS (V) 0 5 10 15 20 10 20 30 25 VG RS =21,95mA VG=18V VDS=VDD-IDQ(RD+RS) RD RS R1 R2 VDS= 40-6,7x10-3(3x103+0,82x103) =14,4V
  103. 103. Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs 14-05-2014 Por : Luís Timóteo 103 Transistores MOSFETs : Break -down Disrupção • Pode dar-se a disrupção da junção Drain-Boby para valores de Vds elevados. (50 a 100V). Punch Through • Quando a tensão Vds atinge valores tais (20V), que a região de Deplexão da junção Drain- body se estende través do canal até à Source. Disrupção do Óxido • Quando Vgs atinge valores de cerca de 50V. Destrutiva. Diodos limitadores.
  104. 104. Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs 14-05-2014 Por : Luís Timóteo 104 Polarização : Transistores MOSFETs MOSFET de enriquecimento-  E- MOSFET (n)
  105. 105. Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs 14-05-2014 Por : Luís Timóteo 105 JFET D-MOSFET E-MOSFET Formulário: Comparações Transistores MOSFETs
  106. 106. Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs 14-05-2014 Por : Luís Timóteo 106 Modelo  Dn I L W kgm 2 TGS D VV I gm   2 ou ou Transistores MOSFETs : Como amplificador… Análise de pequemos sinais  TGSn VV L W kgm  G D S gsv o ds gsC r V vgmi  .
  107. 107. Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs 14-05-2014 Por : Luís Timóteo 107 D A O I V r  ro modela o efeito de modelação de canal. Pode ser considerado como a resistência de saída da fonte de corrente. G D S gsv Modelo  aumentado… Transistores MOSFETs : Como amplificador… Análise de pequemos sinais: incorporando o efeito de Early G S D B vBS + - gm.vGS ro gmB.vBS + - gm v i gm BS D B     SBf V     22 Para Vsb=0 0.322 0.62 0.5  Transcondutância de corpo
  108. 108. Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs 14-05-2014 Por : Luís Timóteo 108 gsvgm. Cgd Cgs G ro S B Csb Cdb bsvgm. D Modelo simplificado: Cgd Cgs G ro S D gsvgm. Produto ganho largura de banda: Transistores MOSFETs : Como amplificador… Modelo de Alta frequência )(2 gdgs T CC gm f   
  109. 109. Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs 14-05-2014 Por : Luís Timóteo 109  Capacidade da gate OXgdgs CLWCC 2 1  Tríodo Saturação Corte 0 3 2   gd OXgs C CLWC OXgb gdgs CLWC CC   0 OXOVgdgdOXOVgsgs CLWCCCLWCC  O SB sb sb V V C C   1 0 O DB db db V V C C   1 0  Capacidade das junções Transistores MOSFETs : Como amplificador… Modelo de Alta frequência
  110. 110. Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs 14-05-2014 Por : Luís Timóteo 110 gsGSGS vVv  Montagem para análise do MOSFET como um amplificador. •Analisemos para pequenos sinais: Sinal total (mM) Grande sinal ou componente DC (MM). pequeno sinal ou componente AC (mm) A variação do pequeno sinal vgs vai provocar a variação da corrente id que por sua vez irá provocar a variação de vo. GSv VGS M1vgs R1 1k VDD Vo Transistores MOSFETs : Como amplificador… Temos, vGS=VGS+vgs
  111. 111. Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs 14-05-2014 Por : Luís Timóteo 111 gsGSGS vVv  Pequenas variações em vgs produzem variações em vo. Desde que estas variações sejam pequenas a relação é linear. gsVo vAv  oOO vVv  Transistores MOSFETs : Como amplificador… Análise de pequemos sinais VGS M1vgs R1 1k VDD vO GSv Temos: VA - Ganho de tensão
  112. 112. Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs 14-05-2014 Por : Luís Timóteo 112 Transistores MOSFETs : Como amplificador… Vamos considerar um amplificador NMOS simples: (t)iI(t)i dDD  Vi(t) RD 5k 15V 4.0V K=0.25mA/V2 VT=2.0V Podemos realizar uma análise e determinar o ganho de tensão AVO para pequenos sinais com circuito aberto …. (t)VV(t)V oDSO  (t)v (t)v A i O vo  1º Passo: Análise DC Desligar a pequena fonte de sinal deixa um circuito DC : RD 5k 15V 4.0V Assumindo que os MOSFET está na saturação, impõe-se: 2 TGSD VVKI )(  É evidente que: VGS=4.0V Portanto, a corrente de Dreno DC é: 2 TGSD VVKI )(  =0,25(4-2)2=1.0mA Análise de pequemos sinais com circuito aberto
  113. 113. Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs 14-05-2014 Por : Luís Timóteo 113 Transistores MOSFETs : Como amplificador… Assim, a tensão V DS pode ser determinada a partir KVL como: RD 5k 15V 4.0V 1º Passo: Análise DC (Cont.) VDS=15-ID.RD=15-(1X5)=10V ID Confirmando: VGSVT =4.0 2V e VDS: VDSVGS-VT =10V 2V 2ºPasso : Determinar os parâmetros dos pequenos sinais Nós achamos que a transcondutância é: gm=2K(VGS-VT) =2(0.25)(4.0 -2.0) =1mA/V Note-se que não foi dado nenhum valor de λ, por isso vamos assumir λ = 0, e, portanto, a resistência de saída ro= ∞. 3º e 4º Passos : Determinar o circuito para pequenos sinais. Agora desligamos as duas fontes de tensão DC, e substituímos o MOSFET pelo seu modelo de pequenos sinais. O resultado é o nosso circuito pequenos sinais: di di 0ig  5k (t)vo gsmvg G D S gsvvi(t) Análise de pequemos sinais com circuito aberto
  114. 114. Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs 14-05-2014 Por : Luís Timóteo 114 Transistores MOSFETs : Como amplificador… Análise de pequemos sinais com circuito aberto 3º e 4º Passos : Determinar o circuito para pequenos sinais. di di 0ig  5k (t)vo gsmvg G D S gsVvi(t) 5º Passo : Analisar o circuito para pequenos sinais  A análise deste circuito para pequenos sinais é bastante simples. Em primeiro lugar, nota- se que: igs vv  gsgsgsmd vv1vgi  do i5v   Combinando estas equações, encontramos que: VGS M1vgs R1 5k VDD vO GSv io v5v   E assim, o ganho de tensão para pequenos sinais deste amplificador em circuito aberto é: 05 (t)v (t)v A i o vo .
  115. 115. Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs 14-05-2014 Por : Luís Timóteo 115 Transistores MOSFETs : Como amplificador… Análise de pequemos sinais sem circuito aberto RD 1k 2k 3k 100k 10V (t)vi (t)vo 1 0.005V  K=0.4 mA/V2 VT=2.0V 1º Passo: Análise DC: Os condensadores são circuitos abertos para DC, portanto, o circuito de DC é: RD 1k 2k 100k 10V Assumindo que o MOSFET está na saturação, assim impomos: 2 TGSD VVKI )(  GSV DSV ID Como IG=0, vemos que VG =VD, e assim VGS =VDS . De KVL, encontramos: 0I(2)VI(1)10.0 DDSD  Como VGS=VDS,  VGS DGS I3010V  . 2 TGSD VVKI )( Combinando o anterior com Obtemos a função quadrática de VGS: 2 TGSGS VV3K010V )(.  Cujas soluções são: 4.2VVGS  1.0VVGS  e
  116. 116. Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs 14-05-2014 Por : Luís Timóteo 116 Transistores MOSFETs : Como amplificador… Análise de pequemos sinais sem circuito aberto RD 1k 2k 3k 100k 10V (t)vi (t)vo 1 0.005V  K=0.4 mA/V2 VT=2.0V 1º Passo: Análise DC (Cont.) RD 1k 2k 100k 10V GSV DSV ID Cujas soluções são: 4.2VVGS  1.0VVGS  e Não entre em pânico! Apenas uma destas soluções satisfaz a nossa condição de saturação! 2V4.2VVV TGS  2ºPasso : Determinar os parâmetros dos pequenos sinais gm=2K(VGS-VT) =2(0.4)x(4.2 -2.0) =1,76 mA/V 2 TGS o VVK 1 r )(        2o 2)(4.20.005(0.4) 1 r 103 K
  117. 117. Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs 14-05-2014 Por : Luís Timóteo 117 Transistores MOSFETs : Como amplificador… Análise de pequemos sinais sem circuito aberto RD 1k 2k 3k 100k 10V (t)vi (t)vo 1 0.005V  K=0.4 mA/V2 VT=2.0V 3º e 4º Passos : Determinar o circuito para pequenos sinais. a) Desligar a fonte de tensão DC. b) Substituir os condensadores por curto-circuitos.  c) Substituir o MOSFET pelo seu modelo de pequenos sinais. di di 3k (t)vo gsv1.76  G D S gsvvi(t) RD 1k 2k 100k (t)vi (t)vo3k 1i100K 1k ro 103K
  118. 118. Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs 14-05-2014 Por : Luís Timóteo 118 Transistores MOSFETs : Como amplificador… Análise de pequemos sinais sem circuito aberto 3º e 4º Passos : Determinar o circuito para pequenos sinais (Cont)  c) Substituir o MOSFET pelo seu modelo de pequenos sinais. di di 3k (t)vo gsv1.76  G D S gsvvi(t) 1i100K 1k ro 103K  Da análise nota-se que: igs vv   Igualmente, usando KCL, a corrente i1é: 103 v 3 v 1 v v1.76i ooo gs1  i1= 1.76 x vi+1,334 vo  Pela lei de Ohm nota-se que: 100 vv i oi 1   Combinando estas duas equações, encontramos: vi-vo= 176 x vi+1,334 vo  E a partir disto, descobrimos que o ganho de tensão para pequenos sinais é: 1.31 134.4 175 (t)v (t)v A i o vo   
  119. 119. Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs 14-05-2014 Por : Luís Timóteo 119 Transistores MOSFETs : Como amplificador… Análise de pequemos sinais em circuito PMOS 15V R2 1k 1k 1kR1 R3 R ID 2.0VVT  K=0.75 mA/V2 VGS= -4.0V  Consideremos o circuito PMOS seguinte, onde sabemos (de alguma forma) que VGS = -4,0 V, mas não se sabe (por alguma razão), o valor da resistência R.  Vamos ver se podemos determinar o valor da resistência R. Primeiro, vamos supor que o MOSFET está na saturação, e que portanto, a equação da corrente de Dreno será: 2 TGSD VVKI )(   Agora vamos analisar o circuito: 15V R2 1k 1k 1kR1 R3 R ID DSVGSV I1 I2 IG=0 I VS VD VG  Como sabemos que VGS = -4,0 V, e assumimos que o dispositivo PMOS estava na saturação, podemos determinar directamente a corrente de dreno ID: 2 TGSD VVKI )(  2 2.0))(4.00.75(  2 2.0)4.00.75(  = 3 mA
  120. 120. Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs 14-05-2014 Por : Luís Timóteo 120 Transistores MOSFETs : Como amplificador… Análise de pequemos sinais em circuito PMOS  e, assim, a tensão de dreno VD é: 3DD RI0.0V  1.0(3.0)0.0  = 3.0V OK, esta primeira parte foi fácil, mas o que vamos fazer agora? A chave para "desbloquear" esta análise de circuito, está reconhecendo que a diferença de potencial através do resistência R2 é simplesmente a tensão VGS, da qual sabemos o valor (VGS =-4.0V)! 15V R2 1k 1k 1kR1 R3 R ID DSVGSV I1 I2 IG=0 I VS VD VG2.0VVT  K=0.75 mA/V2 VGS= -4.0V –Assim, podemos determinar imediatamente a corrente I2, que é:    1 4.0 R V I 2 GS 2  =-4.0 mA–Da mesma forma, a partir de KCL, encontramos: 2G1 III  –Mas, como a corrente de Gate, IG = 0, concluímos: 21 II  –A voltagem de Gate VG será: 14.0)(RI0.0V 11G  =4.0 V =-4.0 mA –A voltagem de Fonte (Source) VS será: 14.0)(4.0RIVV 22GS  =8.0 V –Como podemos determinar o valor da resistência R?
  121. 121. Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs 14-05-2014 Por : Luís Timóteo 121 Transistores MOSFETs : Como amplificador… Análise de pequemos sinais em circuito PMOS  Continuando, podemos calcular a corrente I, que flui através da resistência R: 15V R2 1k 1k 1kR1 R3 R ID DSVGSV I1 I2 IG=0 I VS VD VG2.0VVT  K=0.75 mA/V2 VGS= -4.0V4.0)(3.0III 2D  =7.0 mA E assim, a partir da Lei de Ohm, podemos encontrar o valor de R: 7.0 8.015.0 I V15.0 R S     =1K Mas espere! Nós ainda não terminamos! Devemos verificar se nossa suposição inicial estava correcta. –Primeiro, vamos verificar se o canal está induzido: 2V4VVV TGS   –Para se ver se o canal está estrangulado (Pinch-off). Aqui notamos que: VDS=VD-VS=3.0-8.0=- 5V e a tensão de excesso da Gate VGS-VT=-4.0-(-2.0)=-2V, portanto: 2V5VVVV TGSDS  -  Assim, nossa hipótese está correcta, e R = 1K. 
  122. 122. Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs 14-05-2014 Por : Luís Timóteo 122 Transistores MOSFETs : Como amplificador… Montagem Fonte Comum (Common Source - CS) 0 Dout in S m D G v RR RRR R g 1 R RRR RR A        21 21 21 || || || 0  SOmODout RrgrRR 
  123. 123. Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs 14-05-2014 Por : Luís Timóteo 123 Transistores MOSFETs : Como amplificador… Montagem Gate Comum (Common Gate - CG) 0     Dm GmS mS v Rg Rg1R g1R A    /|| /|| S m in R g 1 R  Dout RR  0  SOmODout RrgrRR 
  124. 124. Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs 14-05-2014 Por : Luís Timóteo 124 Transistores MOSFETs : Como amplificador… Montagem Seguidor de Fonte (Source Follower - SF) 0 S m S v R g 1 R A   Gin RR  S m out R g 1 R || 0 So m out Gin SO m SO v Rr g 1 R RR Rr g 1 Rr A |||| || ||    
  125. 125. Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs 14-05-2014 Por : Luís Timóteo 125 Rg2 VDD Rs RdRg1 VDD Rg VDD Rs VSS Rd Rg VDD Rd Rg VDD Rd Circuitos discretos: Técnicas de polarização Transistores MOSFETs : Como amplificador…
  126. 126. Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs 14-05-2014 Por : Luís Timóteo 126 Source Comum • Grande Av < 0 - Degradado por RS. • Grande Rin - Determinado pelo circuito de polarização. • Rout  RD • ro diminui Av & Rout mas impedância vista pela Drain, pode ser "impulsionada" pela degeneração da Fonte. Source Follower • 0 < Av ≤ 1 • Grande Rin -Determinado pelo circuito de polarização -Pequena Rout - Diminui com RS. • ro diminui Av & Rout Transistores MOSFETs : Como amplificador… Comparações de Montagens Gate Comum • Grande Av < 0 - Degradado por RS. • Pequena Rin - Diminui com RS. • Rout  RD • ro diminui Av & Rout mas impedância vista pela Drain, pode ser "impulsionada" pela degeneração da Fonte.
  127. 127. Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs 14-05-2014 Por : Luís Timóteo 127 Transistores MOSFETs Teste um MOSFETs : Antes de começar é preciso determinar quais dos terminais do MOSFET são a Porta (G), o Dreno (D) e a Fonte (S). Esta informação encontra-se na folha de dados, (Data sheet) no site do fabricante.
  128. 128. Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs 14-05-2014 Por : Luís Timóteo 128 A maioria dos transistores MOSFETs não pode ser testada com um multímetro. Este facto é devido á necessidade da Gate (G) precisar de uma tensão de 2V – 5V, para ligar o dispositivo MOSFE, e esta voltagem não está presente nas pontas de provas dos multímetros , em qualquer das escales de resistência dos mesmo aparelhos. Transistores MOSFETs Teste um MOSFETs É necessário construir o seguinte circuito de teste: Tocando a Gate (G), aumentará a tensão da mesma, o MOSFET ligar-se-á e o LED se iluminará. Retirando o dedo, o LED apaga-se!....
  129. 129. Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs 14-05-2014 Por : Luís Timóteo 129 SD Transistores MOSFETs Teste um MOSFETs : Com Multímetro analógico escala ( x10) Primeiro, verifica-se a resistência entre a Gate (G) e os outros dois terminais, Dreno D) e Source (S), um a um. O multímetro não pode deflectir, nenhuma leitura pode aparecer entre os terminais G-D e G-S. Se houver leitura neste estado. o MOSFET está em curto.
  130. 130. Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs 14-05-2014 Por : Luís Timóteo 130 SD Transistores MOSFETs Teste um MOSFETs : Com Multímetro analógico ( x10) Ao tocar a Gate(G) com a ponta de prova preta, o MOSFET é activado. Ele vai conduzir em ambas as direcções D-S e S-D.
  131. 131. Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs 14-05-2014 Por : Luís Timóteo 131 SD Ao tocar a Gate (G) com a ponta de prova vermelha, o MOSFET volta a sua condição inicia (desarmado), e vai conduzir apenas numa direcção (D-S). Não deve haver leitura entre S-D. Transistores MOSFETs Teste um MOSFETs : Com Multímetro analógico ( x10)
  132. 132. Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs 14-05-2014 Por : Luís Timóteo 132 4N60B G D S Transistores MOSFETs Teste um MOSFETs : Com Multímetro Digital Os mesmos testes podem ser feitos com um multímetro digital, mas tenha em mente que as pontas de prova se invertem, tome como referências os métodos anteriores, mas as pontas de prova pretas terão o efeito das pontas de prova vermelhas e vice-versa. 1) Determinar quais dos terminais do MOSFET são a Porta (G), o Dreno (D) e a Fonte (S). Esta informação encontra-se na folha de dados, (Data sheet) no site do fabricante. Primeiro, ligue o multímetro numa escala de resistência muito alta. 2) Verifique a resistência entre a Porta (G) e o Dreno (D). Em seguida, coloque uma das pontas de prova do multímetro no terminal da Porta (G), e outro sobre o terminal do Dreno (D). Se o MOSFET estiver a trabalhar bem, a leitura de resistência será infinitamente alta. Um MOSFET bom irá se comportar como um diodo, e irá conduzir. Invertendo as pontas de prova, não irá conduzir. 3. Ligue o multímetro na posição Teste de diodos. Isto é representado com um símbolo de diodo. 4. Coloque a ponta de prova preta do multímetro no Dreno (D), e a vermelha na Fonte (S). Diodo de protecção
  133. 133. Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs 14-05-2014 Por : Luís Timóteo 133 4N60B G D S Transistores MOSFETs Teste um MOSFETs : Com Multímetro Digital A leitura do multímetro será de alguns milivolts. Um valor característico para um 4N60B é de 500 milivolts (Diodo?). 5. Active o MOSFET. Em primeiro lugar, deixe a ponta preta na Fonte(S). Em seguida, toque brevemente com a ponta vermelha na Porta (G), e depois coloque-a no Dreno (D). Deixe a ponta vermelha no Dreno(D), e retire a ponta preta da Fonte(S). 6. Desactive o MOSFET. Quando a sonda preta é colocada de volta na Fonte(S), o display do multímetro irá mostrar que o MOSFET está mais uma vez não condutor Em seguida, toque na Gate (G) com a ponta preta e volte a colocá-la na Fonte(S). http://www.ehow.com/how_10020048_check-mosfet.html Invertendo as pontas, preta no meio e vermelha na direita (condução) a leitura será de 150 milivolts…
  134. 134. Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs 14-05-2014 Por : Luís Timóteo 134 Question 20: O técnico obtém os seguintes medições na posição "verificação diodo", por esta ordem: 1. Ponta preta no terminal do meio, e ponta encarnada no terminal da direita = 0.583 volts (figura) . 2. Ponta encarnada no terminal do meio, ponta preta no terminal da direita = O.L. (aberto) . 3. Ponta preta no terminal do meio, e ponta encarnada no terminal da esquerda = O.L. (aberto). 4. Ponta preta no terminal do meio, e ponta encarnada no terminal da direita = 0.001 volts. 5. Ponta encarnada no terminal do meio, e ponta preta no terminal da direita = 0.001 volts . Transistores MOSFETs Teste um MOSFETs : Com Multímetro Digital Exercício Explicar por que a quarta e quinta medições são tão diferente do primeiro e segundo, respectivamente, quando foram feitas entre os mesmos terminais do MOSFET. Dica: este MOSFET particular é um de canal-N, do tipo de enriquecimento. O facto de fazer a terceira medida, coloca o MOSFET do estado de “activado”(saturado), por meio da tensão de saída do multímetro no modo de teste de diodo, no terminal da esquerda. O MOSFET permanece no seu estado de “activado” para a quarta e quinta medições.! Onde é que as pontas de medida devem de ser conectadas, a fim de forçar o MOSFET a ir para o estado de “desactivado” (corte)? Ponta encarnada no terminal do meio, e ponta preta no terminal da esquerda.
  135. 135. Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs 14-05-2014 Por : Luís Timóteo 135 Transistores MOSFETs Manipulação de MOSFETs Uma grande desvantagem de dispositivos MOSFETs é a sua extrema sensibilidade à descarga electrostática (ESD), devido ao isolamento entre as regiões Gate/Source. A camada isolante de SiO2 é extremamente fina e pode ser facilmente perfurada por uma descarga electrostática. A seguir indica-se uma lista de precauções na manipulação de MOSFETs: Nunca insira ou remova MOSFETs de um circuito com a alimentação ligada. Nunca aplique sinais de entrada quando a fonte de alimentação DC está desligada. Use uma pulseira de aterramento no pulso quando manusear dispositivos MOSFET. Ao armazenar MOSFETs, mantenha os fios do dispositivo em contacto com a espuma condutora, ou ligue um anel de curto-circuito em torno das ligações.
  136. 136. Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs 14-05-2014 Por : Luís Timóteo 136 Tecnologia CMOS MOS Complementar (Complementary MOS). (SSn) (Sn) (Gn) (Dn) Óxido isolante (Dp) (Gp) (Sp) (SSp) nMOS pMOS Consiste no emprego de transistores MOS de ambas as polaridades, numa única pastilha.  Aplica-se tanto em circuitos analógicos como em circuitos digitais. Úteis no design de circuitos lógicos, maior impedância de entrada, mais rápida comutação, e valores de níveis de potência operacionais mais baixos.  MOSFETs: Outras estruturas…
  137. 137. Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs 14-05-2014 Por : Luís Timóteo 137 Gate (G) Dreno (D) Fonte (S) n+ n- p n+ n+ Estructura planar (DMOS) Tecnologia DMOS DMOS - Double-Diffused MOS As características mais importantes são a tensão de ruptura e a resistência em condução. DMOS é semelhante a um BJT, devido às características de alta tensão e de alta frequência. Uma região de deriva (drift) ligeiramente dopada entre o contacto do Dreno e da região do canal, contribui para garantir uma tensão de ruptura muito alta. n- drift region A espessura da região de deriva, deve ser tão fina quanto possível, para minimizar a resistência de Dreno. p Normalmente utilizado em: Electrónica de Controlo Automóvel, cabeças de impressão a jacto de tinta e Fontes de alimentação  MOSFETs: Outras estruturas…
  138. 138. Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs 14-05-2014 Por : Luís Timóteo 138 Tecnologia VMOS Estrutura em ranhura (V MOS) Dreno n+ n- pn+ PortaFonte G D S Isso permite que o dispositivo possa manipular correntes mais elevadas, proporcionando mais área superficial para dissipar o calor. Estrutura vertical do MOSFET, aumenta a área de superfície do dispositivo. A principal característica da estrutura do VMOS é a ranhura em forma de V. A corrente flui verticalmente no dispositivo, em vez de na horizontal, como nos FETs padrão. A tecnologia VMOS também proporciona tempos de comutação mais rápidos. A principal desvantagem da tecnologia VMOS é que a estrutura é mais complicada do que a dos MOSFETs tradicionais, e isto faz com que sejam um pouco mais caros.  MOSFETs: Outras estruturas…
  139. 139. Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs 14-05-2014 Por : Luís Timóteo 139 O MOSFET Umos é muito semelhante ao VMOS. É um desenvolvimento ligeiramente mais recente do mesmo princípio básico. UMOSFETs são capazes de fornecer uma função vantajosa em muitas aplicações de potência relativamente elevadas, tanto em fontes de alimentação e como em amplificação de potência de RF. MOSFET com Gate em trincheira (trench) (UMOSFET) Drain(D) N+ N- PN+ Source(S) Body Gate(G) Tecnologia UMOS Ligação Source-body  MOSFETs: Outras estruturas… MOSFET com extensão da Gate em trincheira (EXTFET) Drain N+ N- P N+ Source Body Gate
  140. 140. Semicondutores de Potência: MOSFETs 14-05-2014 Por : Luís Timóteo 140 MOSFET com dopagem graduada (GD) e Gate em trincheira. Drain N+ N PN+ Source Body Gate Ligação Source-body  Também para baixa tensão (tensão de ruptura é de cerca de 50 V). ND-source ND-drain- ND-drain+ NA-body Doping Estrutura com carga acoplada na super-junção PN da região de deriva (CoolMOS TM) N+ N- N+ N+ P+ P- Drain Source Gate Body Ligação Source-body  3 vezes melhor para dispositivos de 600 - 800 V.  MOSFETs: Outras estruturas… Outras Tecnologias
  141. 141. Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs 14-05-2014 Por : Luís Timóteo 141 PROFET MOSFETDiagnostics Short Circuit Protection Integrated Charge Pump Over Voltage Protection Current Limit Over Temperature Protection Reverse Battery Protection PROFETs: PROrected FETs MOSFETs: Outras estruturas…
  142. 142. Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs 14-05-2014 Por : Luís Timóteo 142 HITFET MOSFET Diagnostics Requires external components Over Voltage Protection Short Circuit Protection Current Limit Over Temperature Protection HITFETs: High Integration Temperature Protected FETs  MOSFETs: Outras estruturas…
  143. 143. Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs 14-05-2014 Por : Luís Timóteo 143 Formulário: Como amplificador Transistores MOSFETs
  144. 144. Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs 14-05-2014 Por : Luís Timóteo 144 Parâmetros comuns a dispositivos NMOS e PMOS Parameter description value W Gate width of either NMOS or PMOS L Gate Length for either NMOS or PMOS Lambda () Design parameter for scalable rules .35 microns PMOS or NMOS minimum sized device Smallest possible PMOS or NMOS device W = 3  1.5m m L = 2  .75m m Cox Gate capacitance per unit area ~2.5 fF/um2 Parâmetros específicos para dispositivos PMOS Parameter description value mp Effective mobility of holes k’= mp Cox)/2 ------- VTP PMOS Threshold Voltage Cjsw Source/drain Side wall capacitance (F/m) Cj Source/drain bottom plate capacitance Units (F/m2) Cjswg Source/drain Side wall capacitance on drain side Units (F/m) Cgdo Drain overlap capacitance (F/m) Parâmetros específicos para dispositivos NMOS Parameter Description value mn Effective mobility of electrons 446.9 cm2/V-sec k’= mn Cox)/2 ------- VTN NMOS Threshold Voltage Cjsw Source/drain Side wall capacitance: (F/m) Cj Source/drain bottom plate capacitance Units (F/m2) Cjswg Source/drain Side wall capacitance on drain side: Units (F/m) Cgdo Drain overlap capacitance (F/m) From: http://www.mosis.org/cgi-bin/cgiwrap/umosis/swp/params/ami-c5/t3af-params.txt Formulário: Parâmetros Transistores MOSFETs
  145. 145. Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs 14-05-2014 Por : Luís Timóteo 145 Tensão de limiar VT0 V 0 Transcondutância do processo KP A/V2 2E-5 Efeito de corpo GAMMA V(1/2) 0 Modelação de canal LAMBDA V-1 0 Espessura do oxido tOX m 0 Difusão lateral LD m 0 PHI V 0.6 Dopagem NSUB cm^-3 Mobilidade U0 cm^2/Vs 600 Resistência da fonte RS  0 T0V nkpk   oxt ovL f2 AN DN m SR Transistores MOSFETs Formulário: Parâmetros
  146. 146. Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs 14-05-2014 Por : Luís Timóteo 146 Capacitância média da Porta (G) Operation Region Cgb Cgs Cgd Cut-off effOXWLC 0 0 Triode 0 2WLC effOX / 2WLC effOX / Saturation 0 effOXWL(2/3)C 0 Formulário: Capacitância média da Porta (G) Transistores MOSFETs Cut-off  No channel exists, CGC appears between Gate and Body. Resistive  Inversion layer is formed acting as conductor between Source and Drain. Cgb=0 (body electrode is shielded by channel) CGC divided evenly between Source and Drain. Saturation  Channel is pinched off. Cgd  0  Cgb  0.

×